一种无需转移技术的多层石墨烯微网制备方法及其对氮 dioxide（NO2）气体传感性能的研究

《IEEE Sensors Journal》：A Transfer-Free Approach for Preparation of Edge-Exposed Multilayer Graphene Micromesh and Study on Its NO2 Sensing Performance

　　

二维石墨烯作为未来气体传感器的候选材料具有巨大潜力，这不仅得益于其巨大的表面积，还因为其高度活跃的边缘特性，这些边缘已成为研究的热点。在这项工作中，我们开发了一种无需转移的新方法，通过光刻技术在钼（Mo）催化剂上制备出暴露边缘的多层石墨烯微网格。这种简便高效的方法减少了步骤，提高了精度，并且几乎可以无限制地设计各种图案。该方法还适用于半导体制造过程，可以实现晶圆规模的大规模生产和精确对齐定位。我们制备了不同厚度的石墨烯微网格，并对其在NO2（~1 ppm）气体检测中的性能进行了研究。尽管表面积有所减小，但微网格的整体响应仍得到了提升（对于通过化学气相沉积（CVD）制备的石墨烯，从0.692%提高到了0.744%）。根据我们提出的计算模型，该模型假设响应可以由石墨烯表面和边缘两部分共同决定，研究发现较薄的多层石墨烯边缘由于更高的反应活性和边缘促进的气体吸附作用，表现出异常高的灵敏度。我们对基于石墨烯微网格的气体传感器原型的研究揭示了多层石墨烯边缘的重要作用，这些边缘可能是未来高性能气体传感器的关键组成部分。

石墨烯是一种新型的二维纳米材料，具有极薄的厚度和巨大的表面积，能够与周围环境发生活跃的相互作用。自从1991年被发现以来，研究人员对其进行了广泛研究[1]。它本质上是由sp2键连接的碳原子构成的单层结构，形成了六边形蜂窝状网络，具备多种优异特性，如极高的表面积与体积比、可调节的载流子类型和密度、低信噪比、以及高的载流子迁移率、热导率、化学稳定性和机械强度[2]、[3]。近年来，石墨烯及其衍生材料和复合材料在各个领域取得了显著进展，发现了其在光电子学、晶体管、气体传感器、生物传感器、能量存储和催化等领域的广泛应用[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。除了巨大的表面积外，二维石墨烯的另一个不容忽视的特性是其边缘[11]、[12]。在石墨烯的边缘，断裂的键产生了富含活性电子的自由基团，这些自由基团的行为类似于缺陷，可能导致比石墨烯基底平面更高的反应活性，并有助于气体与外界环境的相互作用[13]。在气体传感器领域，石墨烯及其衍生物是最有前途的候选材料之一，它们在监测大气污染和工业危害、精准农业以及医疗保健等方面具有广泛的应用前景，其中高灵敏度至关重要[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。通过合理的结构设计使石墨烯边缘充分暴露，可能是进一步提高基于石墨烯的气体传感器灵敏度的有效途径。